补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法技术

补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，包括以下步骤；1)收集资料；2)全负荷段转轮出口环量计算；3)全负荷段尾水管压力脉动频率计算；4)根据电厂特征布置形式拟定两种补气工况；5)通过真机试验统计全负荷段相对脉动幅值；6)进行两种补气工况稳定性试验；7)结合模拟及实测数据对补气动态特性进行评估。本发明专利技术可以计算全负荷段压力脉动特性，计算方法在满足精度的情况下较为简便，能作为评估机组稳定性的重要手段。

【技术实现步骤摘要】
补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法
本专利技术涉及水力机械故障诊断
，特别涉及补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法。
技术介绍
混流式水轮机在部分负荷段容易出现尾水管涡带而引起的振动现象，机组的类型及过流部件的特殊形式决定了影响效果的差异性。在过流通道内，尾水管压力脉动幅值最大，向上逐步呈“递减性”地传播。不稳定的流态造成的非定常作用力会对转轮、顶盖、导叶等重要部件作用，从而引发过水部件及机组的颤抖、共振、强噪音等恶劣运行工况的出现，严重时会导致叶片裂纹、止漏环磨损等问题，直接危及电站安全运行。对于已经投运的机组，采取一定的措施削弱尾水管内压力脉动涡带影响程度,降低水轮机压力脉动,改善水力稳定性,扩大机组可被调度的负荷运行区间已成为水轮机水力研究的重要目标之一。国内机组主要采用强迫补气和自然补气作为改善方法。强迫补气法主要由顶盖或底环利用压缩空气进行补气，运行维护成本较高，主要应用于轴流转桨式机组以及高水头机组等；自然补气的方法有：大轴中心孔补气、十字架补气、短管补气等；其原理是利用大气压原理及机组的转轮出口产生的真空度形成压差而进行自然补气，运行成本较低，具有广泛的市场应用。近年来对涡带的研究手段主要有数值计算法和公式法两种，数值计算的方法主要通过有限元软件对泄水锥行线、尾水管流线、各断面压力、涡带及流体的涡流黏度值的变化情况进行计算，计算结果受边界条件的影响，计算方法也较为繁琐。传统公式法根据大量统计数据进行归纳，用单一的数值描述整个动态过程，缺少针对水轮发电机组全负荷段尾水管压力脉动的动态特性研究，也缺乏对真机补气效果的试验分析。如何对补气的效果进行评估是个综合性的问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，可以计算全负荷段压力脉动特性，计算方法在满足精度的情况下较为简便，能作为评估机组稳定性的重要手段。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，包括以下步骤；1)收集资料；2)全负荷段转轮出口环量计算；3)全负荷段尾水管压力脉动频率计算；4)根据电厂特征布置形式拟定两种补气工况；5)通过真机试验统计全负荷段相对脉动幅值；6)进行两种补气工况稳定性试验；7)结合模拟及实测数据对补气动态特性进行评估。所述的步骤1)具体为：收集转轮型号、转轮标称直径、叶片数量及额定流量。所述的步骤2)具体为：2.1由叶片出口速度三角形计算绝对速度切向分量，水轮机叶片出口速度三角形由绝对速度v2、相对速度w2、牵连速度u2组成，Vu2为转轮出口绝对速度沿圆周方向的分量，Vm2为转轮出口绝对速度沿法相方向的分量，r2是转轮出口半径，A为过水面积，R2为尾水管进口半径，Q0为额定流量，Q为实际流量，β2为叶片出口安放角，ω0为发电机旋转角速度，ω为涡带旋转角速度。当机组运行在最优工况点附近时，绝对速度在圆周的分量v′u2＝0，随着负荷的降低，绝对速度由v2点移动到v′2，相应的产生于旋转方向相同的v′u2＞0的正环量；同理随着负荷的升高，绝对速度由v2点移动到v″2，相应的产生于旋转方向相同的v′u2＜0的负环量；由于转轮出口环量大小与机组流量有直接的关系，在非设计工况下：2.2计算出口涡带在不同半径上的环量值，再根据出口环量的积分是在r2≤ri≤R2区间内，计算转轮出口环量的平均值Γ′表达式：所述的步骤3)具体为：通过环量推导得出的涡带频率的方法是从尾水管压力脉动的成因出发，通过全负荷段压力脉动计算公式可以较为完整的体现机组各负荷段的尾水压力脉动表达式：△H为尾水管压力脉动摆动幅值；fp为尾水管压力脉动摆动频率；n为机组转速；r2为叶片出口半径；R2转轮出口半径；涡带相对坐标；Q为流量；结合不实际转轮及尾水管参数估算各负荷段压力脉动的频率。所述的步骤4)具体为通过将补气管路设置风速传感器用以监测风速的变化，选择一段直管段，将风速传感器安装于管道中间，通过由风速的换算得到空气流量的方式将所得的数据引入动态监测系统，根据实际布置形式，采取管段中可以临时关闭及打开的措施，拟定补气和非补气两种工况。所述的步骤5)具体为：将被试机组进行真机带负荷试验，统计两种补气工况尾水管压力脉动峰峰值△H；计算水轮机真机水头H；通过对实测数据的压力脉动峰峰值与实际水头的比值就可以评判压力脉动作用于机组的应力数值，由于水流圆周速度分量和涡核偏心距随负荷的变化而变化，S的数值需要通过实测数据来体现，S＝ΔH/H。所述步骤6)具体为：61)分别将水电机组的水导轴承摆度信号、顶盖振动信号、压力脉动信号接入在线监测系统；62)将补气管路中设定好的位置用填充物临时封堵，机组按照10％负荷工况点进行试验，记录各特征位置的振动及摆度的数值；63)撤出填充物并恢复管路，机组按照10％负荷工况点进行试验，记录各特征位置的振动及摆度的数值。为探明大轴补气对水轮发电机动态运行的影响效果，将发电机补气管路添加临时隔板，模拟补气和非补气两种工况，通过各负荷段尾水管压力脉动、机组振摆情况及效率评价补气的效果。所述步骤7)的具体操作过程为：71)将全负荷段数值计算的尾水管主频频率、经验公式计算的主频频率以及各经验公式的数据与真机试验的结果进行统计；72)将两种补气工况的相对脉动幅值进行统计；73)将两种补气工况的振动及摆度特性数据进行比对，对补气效果进行综合评判。本专利技术的有益效果：1、本专利技术中所述的方法可以作为监测手段对尾水管压力脉动的作用效果进行评估，避免由于尾水管涡带产生的振源对机组特性的影响，也为评估补气效果进行量化的计算，避免机组由于尾水脉动引发振动而发生事故。2、本专利技术提出了评估全负荷段尾水管压力脉动的方法，从转轮出口速度三角形出发，推导出环量公式。由环量公式进而推导出尾水管压力脉动主频公式。并引入相对压力脉动幅值对脉动压力的标定。克服原有计算方法的单一性，分析结果全面、科学，可以为脉动特性分析、振动故障诊断和预报提供依据。3、本专利技术中所述的评估系统采用模拟计算和补气工况运行振动数据相结合的方法对机组动态特性进行评估，互相验证，准确性高。评估结果可以准确的反应补气效果，为机组的稳定运行和状态检修提供准确的依据。附图说明图1水轮机尾水管流道涡带示意图。图2转轮出口速度三角形图。图3尾水管压力脉动频率图。图4尾水管压力脉动相对幅值图。图5补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术所述的补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，主要由非最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，其特征在于，包括以下步骤；/n1)收集资料；/n2)全负荷段转轮出口环量计算；/n3)全负荷段尾水管压力脉动频率计算；/n4)根据电厂特征布置形式拟定两种补气工况；/n5)通过真机试验统计全负荷段相对脉动幅值；/n6)进行两种补气工况稳定性试验；/n7)结合模拟及实测数据对补气动态特性进行评估。/n

【技术特征摘要】
1.补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，其特征在于，包括以下步骤；
1)收集资料；
2)全负荷段转轮出口环量计算；
3)全负荷段尾水管压力脉动频率计算；
4)根据电厂特征布置形式拟定两种补气工况；
5)通过真机试验统计全负荷段相对脉动幅值；
6)进行两种补气工况稳定性试验；
7)结合模拟及实测数据对补气动态特性进行评估。


2.根据权利要求1所述的补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：
收集转轮型号、转轮标称直径、叶片数量及额定流量。


3.根据权利要求1所述的补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：
2.1由叶片出口速度三角形计算绝对速度切向分量，水轮机叶片出口速度三角形由绝对速度v2、相对速度w2、牵连速度u2组成；Vu2为转轮出口绝对速度沿圆周方向的分量，Vm2为转轮出口绝对速度沿法相方向的分量，r2是转轮出口半径，A为过水面积，R2为尾水管进口半径，Q0为额定流量，Q为实际流量，β2为叶片出口安放角，ω0为发电机旋转角速度，ω为涡带旋转角速度；
当机组运行在最优工况点附近时，绝对速度在圆周的分量v′u2＝0，随着负荷的降低，绝对速度由v2点移动到v′2，相应的产生于旋转方向相同的v′u2＞0的正环量；同理随着负荷的升高，绝对速度由v2点移动到v″2，相应的产生于旋转方向相同的v′u2＜0的负环量；由于



其中r2是转轮出口半径，A为过水面积，可以看到转轮出口环量大小与机组流量有直接的关系，在非设计工况下：



2.2计算出口涡带在不同半径上的环量值，再根据出口环量的积分是在r2≤ri≤R2区间内，计算转轮出口环量的平均值Γ′表达式：





4.根据权利要求1所述的补气对尾水管压力脉动及机组动态特性影响的评估方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：
通过环量推导得出的涡带频率的方法是从尾水管压力脉动的成因出发，通过全负荷段压力脉动计算公式可以较为完整的体现机组...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晨原，牛利涛，孙琪，陈少华，肖洋，夏潮，李志强，寇林，闵江涛，郑俊波，吴易洋，赵强，刘诚威，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61